EP0976675A1 - Verfahren zur Kraftbegrenzung für automatische Aufzugstüren - Google Patents

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EP0976675A1
EP0976675A1 EP99114061A EP99114061A EP0976675A1 EP 0976675 A1 EP0976675 A1 EP 0976675A1 EP 99114061 A EP99114061 A EP 99114061A EP 99114061 A EP99114061 A EP 99114061A EP 0976675 A1 EP0976675 A1 EP 0976675A1
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EP
European Patent Office
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force
door
model
motor
driving force
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EP99114061A
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EP0976675B2 (de
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Steffen Dr.-Ing. Grundmann
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Inventio AG
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Inventio AG
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B66—HOISTING; LIFTING; HAULING
    • B66B—ELEVATORS; ESCALATORS OR MOVING WALKWAYS
    • B66B13/00—Doors, gates, or other apparatus controlling access to, or exit from, cages or lift well landings
    • B66B13/02—Door or gate operation
    • B66B13/14—Control systems or devices
    • B66B13/143—Control systems or devices electrical

Definitions

  • the invention relates to a method for limiting force for automatic elevator doors with a door operator consisting of control, motor and drive mechanism for Movement of a cabin door and a landing door according to one the speed profile corresponding to the door position and force course from an open position to a Closed position or vice versa, the force curve door parameters that change over time is customizable and the doors during the movement process in the event of interference caused by an obstacle are stopable and / or reversible.
  • a disadvantage of the known device is that complex and extensive storage of the for Average necessary position-dependent Current curves for the entire driving range of the door.
  • the invention seeks to remedy this.
  • the invention as characterized in claim 1, solves the problem to avoid the disadvantages of the known device and a method for driving force limitation with a optimized signal-to-noise ratio and increased safety for elevator users.
  • the advantages achieved by the invention are in essential to see that a compact form of Description of the interference-free drive force curve is possible. This can be an automatic, optimal Setting of the driving force limit reached and the Commissioning effort can be reduced. Another advantage is that a force limit isn't just for a particular one Target speed function of the door is available, but also for deviating courses, for example at reduced speed or increased acceleration can be provided without a new learning trip beforehand perform.
  • the method according to the invention relates to the Door closing process as well as the door opening process.
  • Force limitation means a when closing the door Limitation of the closing force or a limitation of the Opening force during the opening process.
  • Force curve relates the force curve during the door closing process or during the door opening process.
  • Fig. 1 shows a system for the operation of an automatic Elevator door consisting of a setpoint generator 1 for the Speed, an actual value recorder 2 the Speed / door position, a motion controller 3, one Speed generator 4 in the form of a door drive consisting of control, motor and drive mechanics as well an actual value detector 5 for the generated or applied Driving force.
  • the drive or motor power is the applied by the engine, taking into account the realized gear ratios converted to the door Force designated.
  • the closing force or opening force is the force that is applied during a closing process or Opening process from the door edge or door on Obstacle is exercised.
  • a driving force model 6 for that Driving force calculated on the basis of a mathematical Model and the determined door parameters which in the Driving force to be applied without interference.
  • On Limit value generator 7 calculated from the Upload model value and a permissible interference force a force limit value, which by means of a comparator 8 Actual value of the driving force or the applied Driving force is compared.
  • a force limit value which by means of a comparator 8 Actual value of the driving force or the applied Driving force is compared.
  • the driving force model 6 the driving force to be used.
  • This mathematical model determined using Equations of motion and the previously determined door parameters that at a certain acceleration and at a certain speed under normal, undisturbed Driving force to be applied.
  • the force limit is determined from the driving force to be applied and the maximum permissible interference force. Meets the Door on an obstacle while moving, so when Exceeding the force limit by the applied Driving force a stopping and / or reversing the Elevator door raised to the safety of elevator users to ensure.
  • the mathematical model can be fixed or designed adaptively in a further embodiment be, being an adaptation to the during operation occurring parameter changes takes place.
  • the model can be based on differential equations can be (explicitly) realized.
  • the explicit mathematical Model is based on Newton's equations of motion for the door mechanism. These are here for a simplified one Model of the door mechanism specified.
  • F MT v T ⁇ M GT + F R ⁇ Sign (v T ) + g ⁇ m G v T ⁇ v T (t) - v T (t - T) T
  • the driving force to be applied at any time can be calculated depending on the parameters and the acceleration v ⁇ T.
  • the acceleration is approximately calculated from the speed values, as shown in equation [3], where T is a suitably selected sampling time.
  • Equations [2], [3] can be easily programmed and provide the driving force model value for force monitoring. If the parameters F R , m G and m GT are set once, for example during the manufacture or commissioning of the door, the model is fixed. If the parameters of the model are automatically adapted to the actual parameters of the door mechanics during operation of the door, this is called an adaptive model.
  • the setpoint generator 1 generates one Speed setpoint as a function of time or Way or the door position.
  • the motion controller 3 can for example a speed / position controller, based on measured speed / position information generates a speed specification.
  • the mathematical model represents the dependency of the respective generated driving force from the acceleration, the speed setting and the door position. From mathematical model, the motor force is calculated the without obstacle the predetermined speed curve generated. This normal course depends, for example, on the given acceleration, the characteristic of the Speed generation, the friction forces, the mass of the moving parts and the parameters of the mechanics and the Friction in mechanics.
  • the one to be generated, generated by the driving force model 6 The driving force is during the operation of the door Changes due to wear and aging exposed. Therefore, the driving force model 6 can be designed that a slow adaptation of the to be applied Driving force in the course of changes he follows.
  • the actual value of the driving force or applied driving force can be in connection with the target / actual speed be evaluated to determine the effective moving mass, the closing weight of the door and the One-time or ongoing frictional force during operation determine.
  • test drives are carried out in which the measured values for the motor force converted to the door edge / door and the speed of the door edge / door are recorded and saved periodically.
  • the acceleration depends on the engine power.
  • the right side of the equation [1] contains a component that is linear to the force and a constant component.
  • the coefficients a and b of the linear equation [4] can easily be determined, for example by means of linear regression.
  • the values determined for a closing process are denoted as a s and b s , those for an opening process as a 0 and b 0 .
  • the mathematical model can also be used as an implicit model will be realized.
  • An implicit mathematical model also generated for a given acceleration curve a reference value of the engine power, but without doing so on the vivid physical parameters to have to fall back.
  • An implicit mathematical Model can be made through an artificial neural network being represented.
  • An implicit model is through a training phase prepared, in which the behavior of the model by a Larger number of examples for the input / output behavior is specified.
  • This sample data are generated by a real system whose behavior to be mimicked by the model, with different Input data is stimulated and at the same time the Input signal and the output signals representing the response of the system show be recorded. In the specific case you become a number of opening and closing movements the door and the ones that occur Record measured value curves.
  • the internal parameters of the implicit models are optimized until the Model for all input data similar output data generated like the real model system until model and Reality sufficiently similar.
  • an asynchronous motor can be used as the speed generator 4 in connection with a frequency converter with a rotor flux-oriented current control and superimposed speed control implemented thereon, the torque-forming current component i sq , which is orthogonal to the rotor flux, being usable as an internal variable.
  • the coordinate transformation consists in not selecting the position of the first winding axis as the reference point, but the current magnetic flux in the rotor of the machine.
  • the current in the stator i s can then be broken down into a component i sd parallel to the rotor flux and a component i sq perpendicular to it.
  • the amount of rotor flux can be kept constant by the suitably controlled current component i sd .
  • the proportionality between i sq and the applied engine torque then applies, so that i sq is a measure of the driving force acting on the door edge / door.
  • Asynchronous motor in connection with one on it implemented U / f control are used, the detected slip as a measure of the applied Driving force serves.
  • Synchronous motor can be used.
  • the limit value generator 7 calculates from that by means of mathematical model determined driving model value and a permissible interference force a force limit value. in the In the simplest case, this is done by adding the per Regulation stipulated maximum permissible interference of for example 120 N.
  • the Force limit can be a statistical evaluation process for example according to a Gaussian normal distribution be used.
  • the Gaussian normal distribution is only one of many possible distribution functions. Exponential, Weibull or equal distribution are also applicable. All of these functions have a density function and a distribution function, the calculated ones Numerical values can of course be different.
  • the statistical evaluation of the difference between the actual value the driving force and that of the mathematical model delivered value of the driving force can be determined how good the measured values with the theoretical values. Under the assumption a Gaussian normal distribution of the difference values itself, as shown in FIG.

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Abstract

Dieses System für den Betrieb einer automatischen Aufzugstür besteht aus einem Sollwerterzeuger (1) für die Geschwindigkeit, einem Istwerterfasser (2) der Geschwindigkeit/Türposition, einem Bewegungsregler (3), einem Geschwindigkeitserzeuger (4) in der Form eines Türantriebes und einem Istwerterfasser (5) für die aufgebrachte Antriebskraft. Ein Antriebskraftmodell (6) für die Antriebskraft errechnet aufgrund eines mathematischen Modells und der ermittelten Türparameter die im störkraftfreien Betrieb aufzubringende Antriebskraft. Ein Grenzwerterzeuger (7) berechnet aus dem Antriebskraftmodellwert und einer zulässigen Störkraft einen Kraftgrenzwert, der mittels eines Vergleichers (8) dem Istwert der Antriebskraft gegenübergestellt wird. Beim Überschreiten des Kraftgrenzwertes wird die Tür gestoppt und/oder eine Reversierbewegung ausgelöst.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kraftbegrenzung für automatische Aufzugstüren mit einem Türantrieb bestehend aus Steuerung, Motor und Antriebsmechanik zur Bewegung einer Kabinentür und einer Schachttür gemäss eines der Türstellung entsprechenden Geschwindigkeitsverlaufes und Kraftverlaufes von einer Offenstellung in eine Geschlossenstellung oder umgekehrt, wobei der Kraftverlauf an sich im Laufe der Zeit verändernde Türparameter anpassbar ist und die Türen während des Bewegungsvorganges bei einer durch ein Hindernis ausgelösten Störkraft stoppbar und/oder reversierbar sind.
Aus der Patentschrift DE 39 21 158 ist eine Regeleinrichtung für eine mittels Gleichstrommotor angetriebene Gelenktür bekannt. Das Antriebsmoment ist dem Motorankerstrom proportional. In einer Speichereinrichtung sind der Motorstromverlauf in Abhängigkeit vom Drehwinkel der Tür im störungsfreien Lauf und mit dem maximal zulässigen Drehmoment abgespeichert. Diese Stromwerte können rechnerisch oder experimentell gewonnen werden. Um an der Tür wirkende Reibungsverluste zu berücksichtigen, wird zur Bildung des Sollwertankerstromes der vorstehend genannte Stromwert mit einem gleitenden Mittelwert addiert, der sich aus dem Istwert des Ankerstromes im hindernisfreien Betrieb ergibt. Die Ermittlung des Sollwertes ist nach jedem einwandfreien Öffnen und Schliessen der Tür vorgesehen. Tritt an der Tür ein Hindernis auf, so steigt der Istwert des Ankerstromes überproportional an. In der Regeleinrichtung wird dieser Istwert mit dem Sollwert verglichen. Liegt der Istwert über dem zulässigen Sollwert, so wird der Ankerstrom und somit das Türantriebsmoment reduziert.
Ein Nachteil der bekannten Einrichtung liegt in der aufwendigen und umfangreichen Speicherung der für den Mittelwert notwendigen positionsabhängigen Stromverlaufskurven für den gesamten Fahrbereich der Tür.
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erfindung, wie sie in Anspruch 1 gekennzeichnet ist, löst die Aufgabe, die Nachteile der bekannten Einrichtung zu vermeiden und ein Verfahren zur Antriebskraftbegrenzung mit einem optimierten Störkraftabstand und einer erhöhten Sicherheit für die Aufzugsbenutzer anzugeben.
Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind im wesentlichen darin zu sehen, dass eine kompakte Form der Beschreibung des störkraftfreien Antriebskraftverlaufes möglich ist. Damit kann eine automatische, optimale Einstellung der Antriebskraftbegrenzung erreicht und der Inbetriebnahmeaufwand gesenkt werden. Weiter vorteilhaft ist, dass ein Kraftgrenzwert nicht nur für eine bestimmte Sollgeschwindigkeitsfunktion der Tür zur Verfügung steht, sondern auch für abweichende Verläufe, beispielsweise bei reduzierter Geschwindigkeit oder erhöhter Beschleunigung bereitgestellt werden kann, ohne zuvor eine neue Lernfahrt durchzuführen.
Beim Türschliessvorgang besteht die Gefahr, dass sich im zunehmend kleiner werdenden Türspalt Hindernisse wie beispielsweise Personen oder Gegenstände befinden und eingeklemmt werden können. Beim Türöffnungsvorgang besteht die Gefahr, dass beispielsweise Kinderhände oder flache Gegenstände zwischen die sich gegeneinander verschiebenden Türflügel oder zwischen Türflügel und Türrahmen gelangen können.
Das erfindungsgemässe Verfahren bezieht sich auf den Türschliessvorgang wie auch auf den Türöffnungsvorgang. Kraftbegrenzung bedeutet beim Türschliessvorgang eine Begrenzung der Schliesskraft bzw. eine Begrenzung der Öffnungskraft beim Öffnungsvorgang. Kraftverlauf bezieht sich auf den Kraftverlauf während des Türschliessvorganges bzw. während des Türöffnungsvorganges.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1
eine schematische Darstellung des erfindungsgemässen Verfahrens und
Fig. 2
statistische Funktionen zur Auswertung der Differenz zwischen Soll- und Istschliesskraftwerten.
Fig. 1 zeigt ein System für den Betrieb einer automatischen Aufzugstür bestehend aus einem Sollwerterzeuger 1 für die Geschwindigkeit, einem Istwerterfasser 2 der Geschwindigkeit/Türposition, einem Bewegungsregler 3, einem Geschwindigkeitserzeuger 4 in der Form eines Türantriebes bestehend aus Steuerung, Motor und Antriebsmechanik sowie einem Istwerterfasser 5 für die erzeugte bzw. aufgebrachte Antriebskraft. Als Antriebs- oder Motorkraft wird dabei die vom Motor aufgebrachte, unter Berücksichtigung der realisierten Getriebeübersetzungen auf die Tür umgerechnete Kraft bezeichnet. Die Schliesskraft bzw. Öffnungskraft ist diejenige Kraft, die während eines Schliessvorganges bzw. Öffnungsvorganges von der Türkante bzw. Tür auf ein Hindernis ausgeübt wird. Ein Antriebskraftmodell 6 für die Antriebskraft errechnet aufgrund eines mathematischen Modells und der ermittelten Türparameter die im störkraftfreien Betrieb aufzubringende Antriebskraft. Ein Grenzwerterzeuger 7 berechnet aus dem Antriebskraftmodellwert und einer zulässigen Störkraft einen Kraftgrenzwert, der mittels eines Vergleichers 8 dem Istwert der Antriebskraft bzw. der aufgebrachten Antriebskraft gegenübergestellt wird. Beim Überschreiten des Kraftgrenzwertes wird die Tür gestoppt und/oder eine Reversierbewegung ausgelöst.
Mit Hilfe eines mathematischen Modells der beteiligten Tür- und Antriebskomponenten stellt das Antriebskraftmodell 6 die aufzuwendende Antriebskraft zur Verfügung. Dieses mathematische Modell bestimmt anhand von Bewegungsgleichungen und der vorab ermittelten Türparameter die bei einer bestimmten Beschleunigung und bei einer bestimmten Geschwindigkeit unter normalen, ungestörten Verhältnissen aufzubringende Antriebsskraft. Der Kraftgrenzwert wird aus der aufzubringenden Antriebsskraft und der maximal zulässigen Störkraft berechnet. Trifft die Tür während der Bewegung auf ein Hindernis, so wird beim Überschreiten des Kraftgrenzwertes durch die aufgebrachte Antriebskraft ein Stoppen und/oder Reversieren der Aufzugstür ausgelöst, um die Sicherheit der Aufzugsbenutzer zu gewährleisten.
Das mathematische Modell kann fest eingestellt werden oder in einer weiteren Ausführungsvariante adaptiv gestaltet werden, wobei eine Anpassung an die während des Betriebes auftretenden Parameteränderungen erfolgt.
Das Modell kann basierend auf Differentialgleichungen (explizit) realisiert werden. Das explizite mathematische Modell basiert auf den Newtonschen Bewegungsgleichungen für die Türmechanik. Diese sind hier für ein vereinfachtes Modell der Türmechanik angegeben.
Für die nachfolgenden Betrachtungen werden alle Kräfte und Geschwindigkeiten im Richtungssinn der schliessenden Tür positiv definiert. Wird die Mechanik als Einmassensystem mit der auf die Türkante umgerechneten Gesamttürmasse mGT modelliert, so ergibt sich die folgende Beziehung zwischen Geschwindigkeit und Kraft (Newtonsche Bewegungsgleichung, direkte Kraftübertragung zwischen Gegengewicht und Türkante vorausgesetzt): v T = FMT - FR · sign (vT) + g · mG mGT wobei
v ˙T
die Beschleunigung,
vT
die Geschwindigkeit der Türkante,
FMT
die vom Motor aufgebrachte, unter Berücksichtigung der kraftübertragenden und kraftumformenden Mechanik auf die Türkante/Tür umgerechnete Antriebskraft,
FR
die als konstant angenommene Summe aller auf die Türkante umgerechneten Gleit- und Rollreibungskräfte der Türmechanik,
sign (vT)
die Signumfunktion, die für vT>0 den Wert 1 und für vT<0 den Wert -1 aufweist.
g
die Schwerebeschleunigung 9,81 m/s2,
mG
die Masse des Gegengewichtes und
mGT
die Summe der unter Berücksichtigung der kraftübertragenden und kraftumformenden Mechanik auf die Türkante/Tür umgerechneten Massen aller bewegten Teile (Türflügel, Rollen, Zahnriemen, Riemenscheiben, Stahlseile, Gegengewicht, Rotor des Motors, usw.) bedeuten.
Durch Umstellen nach der Kraft FMT erhält man: FMT = v T·mGT + FR·sign (vT) + g·mG v T ≈ vT (t) - vT (t - T)T
Dies ist ein mechanisches Türmodell in expliziter Form, bei der die physikalischen Parameter noch als solche erkennbar sind.
Nach der angeführten Gleichung lässt sich die zu jedem Zeitpunkt aufzubringende Antriebskraft in Abhängigkeit von den Parametern und der Beschleunigung v ˙T berechnen. Die Beschleunigung wird wie in Gleichung [3] dargestellt näherungsweise aus den Geschwindigkeitswerten berechnet, wobei T eine geeignet gewählte Abtastzeit ist.
Die Gleichungen [2], [3] können leicht programmiert werden und liefern den Antriebskraftmodellwert für die Kraftüberwachung. Werden die Parameter FR, mG und mGT einmalig, beispielsweise bei der Herstellung oder bei der Inbetriebnahme der Tür, fest eingestellt, so handelt es sich um ein fest eingestelltes Modell. Werden die Parameter des Modells während des Betriebes der Tür automatisch an die tatsächlichen Parameter der Türmechanik angepasst, so spricht man von einem adaptiven Modell.
Der Sollwerterzeuger 1 erzeugt einen Geschwindigkeitssollwert als Funktion der Zeit oder des Weges bzw. der Türposition. Der Bewegungsregler 3 kann beispielsweise ein Geschwindigkeits-/Positionsregler sein, der auf der Basis einer gemessenen Geschwindigkeits-/Positionsinformation eine Geschwindigkeitsvorgabe erzeugt.
Das mathematische Modell stellt die Abhängigkeit der jeweiligen erzeugten Antriebskraft von der Beschleunigung, der Geschwindigkeitsvorgabe und der Türposition her. Vom mathematischen Modell wird diejenige Motorkraft berechnet, die ohne Hindernis die vorgegebene Geschwindigkeitskurve erzeugt. Dieser Normalverlauf hängt beispielsweise von der vorgegebenen Beschleunigung, der Charakteristik der Geschwindigkeitserzeugung, den Reibkräften, der Masse der bewegten Teile und von den Parametern der Mechanik und der Reibungsverhältnissen in der Mechanik ab.
Die vom Antriebskraftmodell 6 generierte, aufzuwendende Antriebskraft ist im Laufe des Betriebes der Tür Veränderungen durch Verschleiss und Alterung ausgesetzt. Deshalb kann das Antriebskraftmodell 6 so gestaltet sein, dass eine langsame Adaption der aufzubringenden Antriebskraft an den Veränderungen unterworfenen Verlauf erfolgt. Der Istwert der Antriebskraft bzw. die aufgebrachte Antriebskraft kann in Verbindung mit der Soll-/Istgeschwindigkeit ausgewertet werden, um die effektive, bewegte Masse, das Schliessgewicht der Tür und die Reibkraft einmalig oder laufend während des Betriebes zu bestimmen.
Zur Gewinnung der unbekannten physikalischen Parameter des expliziten Modells werden Testfahrten durchgeführt, bei denen die Messwerte für die auf die Türkante/Tür umgerechneten Motorkraft und die Geschwindigkeit der Türkante/Tür periodisch erfasst und gespeichert werden. Nach Gleichung [1] ist die Beschleunigung von der Motorkraft abhängig. Die rechte Seite der Gleichung [1] enthält einen zur Kraft linearen und einen konstanten Anteil. v T = 1mGT · FMT + - FR · sign (vT) + g · mG mGT = a · FMT + b
Werden für einen Öffnungs- oder Schliessvorgang die Grössen vT und FMT über der Zeit aufgezeichnet, so lassen sich die Koeffizienten a und b der linearen Gleichung [4] leicht, beispielsweise mittels linearer Regression bestimmen. Die ermittelten Werte für einen Schliessvorgang seien mit as und bs, die für einen Öffnungsvorgang mit a0 und b0 bezeichnet. Dann gilt: as = a0 = 1mGT mGT = 1as = 1a0 bs = - FR · sign (vT) + g · mG mGT = - FR · (-1) + g · mG mGT b0 = - FR · sign (vT) + g · mG mGT = - FR · (-1) + g · mG mGT mG = (bs + b0) · mGT 2g FR = (b0 - bs) · mGT 2
Damit sind alle interessierenden Parameter des expliziten Modells bekannt. (Die Schwerebeschleunigung g wird als bekannt vorausgesetzt). Erfolgt die beschriebene Parameteridentifikation nur einmalig, wird das resultierende Modell fest eingestellt. Die Messwerte können aber ebenso im laufenden Betrieb erfasst und verarbeitet werden. Die so gewonnenen aktuellen Parameter können zur Nachführung der Modellparameter und zur Anpassung an langsame Veränderungen in der Türmechanik, beispielsweise durch Verschleiss und Verschmutzung, genutzt werden. In diesem Fall wird das Modell adaptiert.
Das mathematische Modell kann auch als implizites Modell realisiert werden. Ein implizites mathematisches Modell erzeugt für einen gegebene Beschleunigungsverlauf ebenfalls einen Referenzwert der Motorkraft, allerdings ohne dabei auf die anschaulichen physikalischen Parameter zurückzugreifen zu müssen. Ein implizites mathematisches Modell kann durch ein künstliches neuronales Netz dargestellt werden.
Ein implizites Modell wird durch eine Trainingsphase vorbereitet, bei der das Verhalten des Modells durch eine grössere Anzahl von Beispielen für das Ein-/Ausgangsverhalten vorgegeben wird. Diese Beispieldaten werden erzeugt, indem ein reales System, dessen Verhalten durch das Modell nachgeahmt werden soll, mit verschiedenen Eingangsdaten angeregt wird und gleichzeitig das Eingangssignal und die Ausgangssignale, die die Reaktion des Systems zeigen, aufgezeichnet werden. Im konkreten Fall wird man eine Anzahl von Öffnungs- und Schliessbewegungen der Tür durchführen und die dabei auftretenden Messwertverläufe aufzeichnen. Die internen Parameter des impliziten Modells werden dabei solange optimiert, bis das Modell für alle Eingangsdaten ähnliche Ausgangsdaten erzeugt wie das reale Vorbildsystem, bis sich Modell und Wirklichkeit hinreichend gleichen.
Als Geschwindigkeitserzeuger 4 kann beispielsweise ein Asynchronmotor in Verbindung mit einem Frequenzumrichter mit einer darauf implementierten rotorflussorientierten Stromregelung und überlagerter Geschwindigkeitsregelung verwendet werden, wobei die momentbildende, zum Rotorfluss orthogonale Stromkomponente isq als interne Grösse verwendbar ist.
Zur Erzeugung des Drehmomentes in einem rotatorischen Asynchronmotor ist die Erzeugung eines um die Motorachse rotierenden magnetischen Feldes erforderlich. Eine besonders einfache Beschreibung der Zusammenhänge zwischen Motorstrom, magnetischem Fluss und Motormoment ist durch Gleichungen möglich, wenn man eine Koordinatentransformation durchführt.
Die in den drei Motorphasen gemessenen Statorströme überlagern sich zu einem resultierenden Stromvektor is , der durch Betrag und den Winkel bezüglich der ersten Motorwicklungsachse gekennzeichnet ist. Die Koordinatentransformation besteht darin, dass man als Bezugspunkt nicht die Position der ersten Wicklungsachse, sondern den aktuellen magnetischen Fluss im Rotor der Maschine wählt. Der Strom im Stator is kann dann zerlegt werden in eine zum Rotorfluss parallele Komponente isd und eine dazu rechtwinklige Komponente isq. Der Betrag des Rotorflusses kann durch die geeignet gesteuerte Stromkomponente isd konstant gehalten werden. Es gilt dann Proportionalität zwischen isq und dem aufgebrachten Motormoment, so dass isq ein Mass für die an der Türkante/Tür wirksame Antriebskraft ist.
Als Geschwindigkeitserzeuger 4 kann beispielsweise auch ein Asynchronmotor in Verbindung mit einer darauf implementierten U/f-Steuerung verwendet werden, wobei der erfasste Schlupf als Mass für die aufgebrachte Antriebskraft dient.
Der Schlupf s ist definiert nach folgender Gleichung: s = ws - wws = ns - nns ns = fs/zp wobei
s
der Schlupf,
ns
die Synchrondrehzahl des umlaufenden magnetischen Feldes,
n
die mechanische Drehzahl der Motorwelle,
ws
die Synchronkreisfrequenz des magnetischen Feldes,
w
die mechanische Kreisfrequenz,
fs
die aktuelle Synchron- bzw. Ausgangsfrequenz des Frequenzumrichters und
zp
die Polzahl des verwendeten Motors ist.
Nach der bekannten Klossschen Formel gilt: mM = 2MK s/sK + sK/s = 2MK · ss2/sK + sK wobei
MK
das Kippmoment und
sK
der Kippschlupf ist.
Beide Grössen sind für einen gegebenen Motor und U/f-Kennliniensteuerung konstant.
Für kleine Schlupfbeträge (s < sK) gilt die Näherung: mM = 2MK · ss2/sK + sK ≈ 2MK sK · s so dass aus einer gemessenen mechanischen Drehzahl n und der bekannten Frequenz der Ausgangsspannung fs eines Frequenzumrichters der Schlupf und aus diesem wiederum das Motormoment nach der Formel mM = 2MK sK · fs/zp - nfs/zp berechnet werden kann.
Als Geschwindigkeitserzeuger kann beispielsweise auch ein spannungs- und frequenzgesteuerter Asynchronmotor verwendet werden, wobei der gemessene Ständerstrombetrag als Mass für die Antriebskraft dient.
Der zeitliche Mittelwert des Strombetrages durch die Ständerwicklung der Asynchronmaschine ist bei U/f-Steuerung vom aufgebrachten Motormoment mM über die Formeln mM = -K·Irα Is = Iµ 2 + Irα 2 abhängig, wobei·Irα die im zeitlichen Mittel momentproportionale Stromkomponente, K eine von den Motordaten abhängige Konstante und Iµ der konstante Magnetisierungsstrombetrag ist. Damit ergibt sich der Betrag des Moments aus dem gemessenen Strombetrag nach mM = -K·Irα mM = 1/K · Is 2 - Iµ 2 K = 3/2 · zp · Lm · Unom Ls · 2π · fnom Iµ = Unom 2π · fnom · Lm wobei
zp
die Polpaarzahl,
Is
der Betrag des Ständerstromes,
Lm
die Hauptinduktivität des Motors,
Ls
die Ständerinduktivität des Motors,
Unom
die Nennspannung des Motors und
fnom
die Nennfrequenz des Motors ist.
Damit ist der Betrag des Antriebsmomentes aus dem gemessenen Strombetrag berechenbar. Andere Anordnungen und Regelverfahren, wie beispielsweise Synchronantriebe mit Messung des Polradwinkels oder des Statorstrombetrages oder Gleichstromantriebe mit Ständerstrommessung, etc., die einen Rückschluss auf die tatsächlich vom Aktor aufgebrachte Kraft zulassen, sind als Geschwindigkeitserzeuger auch möglich.
Als Geschwindigkeitserzeuger 4 kann beispielsweise auch ein Synchronmotor verwendet werden.
Der Grenzwerterzeuger 7 berechnet aus dem mittels des mathematischen Modells bestimmten Antriebskraftmodellwert und einer zulässigen Störkraft einen Kraftgrenzwert. Im einfachsten Fall geschieht dies durch Addition der per Vorschrift festgesetzten höchstzulässigen Störkraft von beispielsweise 120 N.
Als sensiblere Lösung für die Bestimmung des Kraftgrenzwertes kann ein statistisches Auswerteverfahren beispielsweise nach einer Gaussschen Normalverteilung eingesetzt werden. Die Gausssche Normalverteilung ist nur eine von vielen möglichen Verteilungsfunktionen. Exponential-, Weibull- oder Gleichverteilung sind ebenso einsetzbar. Alle diese Funktionen haben eine Dichtefunktion und eine Verteilungsfunktion, wobei die berechneten Zahlenwerte natürlich verschieden sein können. Durch die statistische Auswertung der Differenz zwischen dem Istwert der Antriebskraft und dem vom mathematischen Modell gelieferten Wert der Antriebskraft lässt sich bestimmen, wie gut die Messwerte bei ungestörtem Verlauf mit den theoretischen Werten übereinstimmen. Unter der Annahme einer Gaussschen Normalverteilung der Differenzwerte lässt sich, wie in Fig. 2 gezeigt, aus der ermittelten Standardabweichung bestimmen, wieviel Prozent aller Differenzwerte ausschliesslich infolge von zufallsbedingten Einflüssen einen bestimmten Grenzwert überschreiten ohne dass tatsächlich ein Hindernis im Laufe des Schliessvorganges aufgetreten ist. Umgekehrt lässt sich der minimale Grenzwert angeben und nutzen, bei dem die Wahrscheinlichkeit für ein fälschlicherweise ausgelöstes Reversieren akzeptabel klein ist.
Angenommen bei einer grösseren Anzahl von Messungen wird festgestellt, dass die Differenzwerte um den Mittelwert 0 der Dichtefunktion phi(z) (Kurve 9) der Normalverteilung streuen und zwar mit einer Standardabweichung von 10 N. Gemäss der Verteilungsfunktion Phi(z) (Kurve 10) der Normalverteilung sind somit 50% aller Differenzwerte kleiner als 0. 84% aller Grenzwerte sind kleiner als 10 N, 97,7% sind kleiner als 20 N und 99,86% sind kleiner als 30 N. Setzt man den Grenzwert also 30 N grösser an als den vom mathematischen Modell gelieferten Sollwert der Türschliesskraft, so werden nur 0,14% aller Messwerte durch zufällige Störungen den Grenzwert überschreiten. Damit lässt sich ohne Einbusse bei der Zuverlässigkeit eine niedrigere Auslöseschwelle realisieren und das Verletzungsrisiko senken. Anhand der laufenden statistischen Auswertung der Differenzwerte kann eine Adaption während des Betriebes erfolgen.

Claims (10)

  1. Verfahren zur Kraftbegrenzung für automatische Aufzugstüren mit einem Türantrieb bestehend aus Steuerung, Motor und Antriebsmechanik zur Bewegung einer Kabinentür und einer Schachttür gemäss eines der Türstellung entsprechenden Geschwindigkeitsverlaufes und Kraftverlaufes von einer Offenstellung in eine Geschlossenstellung oder umgekehrt, wobei der Kraftverlauf an sich im Laufe der Zeit verändernde Türparameter anpassbar ist und die Türen während des Bewegungsvorganges bei einer durch ein Hindernis ausgelösten Störkraft stoppbar und/oder reversierbar sind,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der im störkraftfreien Betrieb aufzubringende Antriebskraftverlauf mittels eines mathematischen Modells für den Türantrieb bestimmt wird und mit dem vom Türantrieb erzeugten Antriebskraftverlauf verglichen wird und
    dass durch die Störkraft ausgelöste Abweichungen bestimmter Grösse zwischen dem aufzubringenden Kraftverlauf und dem erzeugten Kraftverlauf die Türen stoppen und/oder reversieren.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das mathematische Modell auf Newtonschen Bewegungsgleichungen für die Türmechanik basiert.
  3. Verfahren nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das mathematische Modell ein adaptives Modell ist, bei dem die Parameter während des laufenden Betriebes der Tür automatisch an die tatsächlichen Parameter der Türmechanik angepasst werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das mathematische Modell durch ein künstliches neuronales Netz darstellbar ist, wobei das Modell durch eine Trainingsphase vorbereitet wird, bei der das Modell ein reales System nachahmt.
  5. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass zur Erzeugung des Kraftverlaufes ein spannungs- und frequenzgesteuerter Asynchronmotor vorgesehen ist, wobei der erfasste Motorschlupf als Mass für die Antriebskraft dient.
  6. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass zur Erzeugung des Kraftverlaufes ein spannungs- und frequenzgesteuerter Asynchronmotor vorgesehen ist, wobei der erfasste Ständerstrombetrag als Mass für die Antriebskraft dient.
  7. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass zur Erzeugung des Kraftverlaufes ein frequenzumrichtergespeister Asynchronmotor vorgesehen ist, wobei die zum Rotorfluss orthogonale Stromkomponente isq als Mass für die Antriebskraft dient.
  8. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass zur Erzeugung des Kraftverlaufes ein Synchronmotor vorgesehen ist.
  9. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass aus dem mittels des mathematischen Modells bestimmten Antriebskraftmodellwert und einer zulässigen Störkraft einen Kraftgrenzwert bestimmt wird, wobei beim Überschreiten des Kraftgrenzwertes die Türen stoppen und/oder reversieren.
  10. Verfahren nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Kraftgrenzwert mittels eines statistischen Auswerteverfahrens nach einer Dichte- und Verteilungsfunktion bestimmt wird.
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